你可以用硅光子學制造很多東西，但激光不是其中之一。
光子集成電路，將一系列光電功能組合在一塊芯片上，在日常生活中越來越常見。它們被用于連接數據中心服務器機架的高速光收發器，包括用于傳輸IEEE Spectrum網站的高速光收發器，用于保持自動駕駛汽車在軌道上的激光雷達，用于發現大氣中的化學物質的光譜儀，以及許多其他應用。所有這些系統都變得越來越便宜，在某些情況下，通過使用硅制造技術制造大部分集成電路，在經濟上已經變得可行。工程師們已經能夠在硅光子芯片上集成幾乎所有重要的光學功能，包括調制和檢測的基本功能，除了一項：發光。硅本身不能有效地做到這一點，所以由所謂的III-V材料制成的半導體，以其成分在周期表上的位置命名，通常用于制造單獨封裝的組件來發光。
如果你可以在你的設計中使用外部激光二極管，那就沒有問題。但最近有幾個因素促使工程師們將激光與硅光子學集成起來。例如，可能沒有空間放置單獨的光源。植入體內用于監測血糖水平的微型設備可能會面臨這個問題。或者應用程序的成本可能需要更緊密的集成:當你可以在一塊硅片上安裝數百或數千個激光器時，你最終將獲得比需要連接單獨芯片更低的成本和更高的可靠性。
有很多方法可以實現激光和硅的這種更緊密的集成。在位于比利時的納米電子研發中心Imec工作，我們目前正在推行四種基本策略：倒裝芯片加工、微轉移印刷、晶圓鍵合和單片集成。以下是關于這些方法如何工作、它們的可擴展性和成熟度水平以及它們的優缺點的指南。
在倒裝芯片鍵合中，激光芯片 [左] 被單獨轉移并鍵合到硅光子晶圓上將激光器直接集成到硅晶圓上的一種直接方法是芯片封裝技術，稱為倒裝芯片工藝，顧名思義。芯片的電氣連接在頂部，最上層的互連終止于金屬焊盤。倒裝芯片技術依賴于連接到這些焊盤上的焊球。然后將芯片翻轉過來，使焊料與芯片封裝上的相應焊盤對齊（或者在我們的例子中是另一個芯片上）。然后焊料熔化，將芯片粘合到封裝上。當試圖將激光芯片鍵合到硅光子芯片時，這個概念是相似的，但更為嚴格。邊緣發射激光器在晶圓上進行全面加工，切割成單獨的芯片，并由供應商進行測試。然后使用高精度版本的倒裝芯片工藝將單個激光芯片鍵合到目標硅光子晶圓上，一次一個激光芯片。困難的部分是確保邊緣發射的激光輸出與硅光子芯片的輸入對齊。我們使用稱為對接耦合的工藝，其中激光器放置在硅的凹陷部分，因此它橫向鄰接硅光子波導的蝕刻面。為此，倒裝芯片工藝需要在所有三個維度上都達到亞微米級的對準精度。在過去的幾年里，已經開發出專門的倒裝芯片焊接工具來完成這項工作，我們和我們的合作者和開發伙伴已經使用它們來優化組裝過程。利用使用機器視覺來保持精確對準的先進拾取和放置工具，我們可以在短短幾十秒內放置和鍵合精度優于500納米的激光設備。2021年，我們還建立了晶圓級硅光子工藝，以提高這一性能。它將機械對準基座和更精確蝕刻的對接耦合接口添加到硅芯片上，以實現優于幾百納米的垂直對準。使用這些技術，我們在300毫米硅光子晶圓上組裝了某些激光設備。我們很高興地看到，來自每個設備的50毫瓦激光中有多達 80% 被耦合到與其相連的硅光子芯片中。在最壞的情況下，整個晶圓上的耦合度仍然在60%左右。這些結果可與主動對準實現的耦合效率相媲美，主動對準是一個更耗時的過程，其中來自激光器本身的光用于引導對準過程。倒裝芯片方法的一個顯著優勢是配對芯片類型的簡單性和靈活性。因為它們可以在現有的生產線上生產，附加工程有限，所以它們每個都可以從多個制造商處采購。而且，隨著市場需求的增加，越來越多的供應商提供倒裝芯片組裝服務。另一方面，該過程的順序性質——每個激光芯片都需要單獨拾取和放置——是一個重大缺陷。從長遠來看，它限制了制造吞吐量和大幅降低成本的潛力。這對于成本敏感的應用（如消費產品）以及每個芯片需要多個激光設備的系統尤為重要。使用倒裝芯片方法的高精度版本將激光芯片連接到硅光子芯片上微轉移印刷消除了對接耦合的一些對齊困難，同時還加快了組裝過程。與倒裝芯片工藝一樣，發光器件生長在III-V族半導體基板上。但有一個很大的不同：III-V晶圓沒有被切割成單獨的芯片。相反，晶圓上的激光器被底切，因此它們僅通過小系繩連接到源晶圓。然后用類似墨水印章的工具將這些設備一起撿起來，打破系繩。然后，印模將激光器與硅光子晶圓上的波導結構對齊，并將它們粘合在那里。倒裝芯片技術使用金屬焊料凸點，而微轉移印刷使用粘合劑，甚至可以僅靠分子鍵合，這依賴于兩個平面之間的范德華力，將激光固定到位。此外，硅光子芯片中光源和波導之間的光學耦合通過不同的過程發生。該過程稱為漸逝耦合，將激光器放置在硅波導結構的頂部，然后光“滲入”其中。雖然以這種方式傳輸的功率較少，但漸逝耦合比對接耦合要求的對準精度低。具有更大的對齊容差使該技術能夠一次傳輸數千個設備。因此，原則上它應該允許比倒裝芯片處理更高的吞吐量，并且是要求在每單位面積上集成大量III-V族組件的應用的理想選擇。盡管轉印是制造microLED顯示器的既定工藝，例如許多增強現實和虛擬現實產品所需的顯示器，但尚未準備好打印激光或光學放大器。但我們到了那里。去年，Imec成功地使用轉移印刷將此類光源連接到包含硅光子波導、高速光調制器和光電探測器的晶圓上。我們還印刷了可調諧超過45 nm波長的紅外激光器和適用于基于芯片的光譜系統的高脈沖能量設備。這些只是為了演示目的而制作的，但我們沒有看到這種方法無法以高產量取得良好結果的根本原因。因此，我們預計該技術將在幾年內準備好部署到生產線上。在微轉移印刷中，激光芯片 [紅色矩形，左] 在其自己的晶圓上固定到位。郵票 [淺灰色] 一次拾取多個激光器并將它們放置在硅光子晶圓上將發光元件與其硅光子學伙伴精確對齊是我們討論的兩種技術的關鍵步驟。但是有一種技術，一種稱為III-V族硅晶圓鍵合的技術，找到了解決方法。該方案不是將已構建的激光器（或其他發光組件）轉移到經過處理的硅晶片，而是將III-V族半導體的空白芯片（甚至小晶片）粘合到該硅晶片。然后，您可以在已有相應硅波導的地方構建所需的激光設備。在轉移的材料中，我們只對結晶III-V材料的薄層感興趣，稱為外延層。因此，在與硅晶圓鍵合后，其余材料將被去除。可以使用標準光刻和晶圓級工藝在與底層硅波導對齊的外延層中制造激光二極管。然后蝕刻掉任何不需要的III-V材料。英特爾 的工程師在過去十年中開發了這種方法，并于2016年推出了第一個用它構建的商業產品——光收發器。這種方法允許高吞吐量集成，因為它可以同時并行處理許多設備。與轉印一樣，它在III-V族和硅材料之間使用漸逝耦合，從而產生高效的光學界面。III-V族與硅晶圓鍵合的一個缺點是您需要大量投資來建立一條生產線，該生產線可以使用用于制造200毫米或300毫米的硅晶圓的工具來處理III-V族工藝步驟毫米直徑。這種工具與激光二極管鑄造廠中使用的工具非常不同，后者的典型晶圓直徑要小得多。在芯片到晶圓鍵合中，III-V族半導體 [粉紅色] 的空白片被鍵合到已經處理過的硅光子晶圓上。III-V族材料在硅波導上方加工成激光器。然后蝕刻掉其余的III-V材料。將所涉及的兩種不同材料結合起來的理想方法是直接在硅上生長III-V族半導體，這種方法稱為單片集成。這將消除任何粘合或對齊的需要，并且將減少浪費的III-V材料的數量。但要使這種策略切實可行，必須克服許多技術障礙。因此，Imec和其他地方繼續朝著這個目標進行研究。該研究的主要目的是創造具有低缺陷密度的結晶III-V材料。根本問題在于，硅中原子的晶格間距與感興趣的III-V族半導體中原子的晶格間距之間存在相當大的不匹配——超過4%。由于這種晶格失配，在硅上生長的每個III-V層都會產生應變。僅添加幾納米的III-V薄膜后，晶體中就會出現缺陷，從而釋放累積的應變。這些“失配”缺陷沿著穿透整個III-V層的線形成。這些缺陷包括開路晶體鍵線和局部晶體畸變，這兩者都會嚴重降低光電器件的性能。為防止這些缺陷破壞激光器，必須將它們限制在遠離設備的地方。這樣做通常涉及鋪設一層幾微米厚的III-V材料，在下面的失配缺陷和上面的無應變區域之間形成一個巨大的緩沖區，激光設備可以在那里制造。加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的研究人員報告了使用這種方法取得的出色進展，展示了具有可靠壽命的高效砷化鎵基量子點激光器。然而，這些實驗只是在小規模上進行的。將該技術擴展到工業中使用的200或300毫米晶圓將很困難。添加厚緩沖層可能會導致各種機械問題，例如III-V薄膜內部出現裂紋或晶圓彎曲。此外，由于有源器件位于如此厚的緩沖層之上，因此很難將光耦合到硅基板中的下方波導。為了規避這些挑戰，Imec引入了一種稱為納米脊工程或NRE的單片集成新方法。該技術旨在迫使缺陷在如此有限的空間中形成，以便可以在與底層硅的界面上方略高于100 nm處構建工作設備。NRE使用一種稱為縱橫比陷印的現象將缺陷限制在小區域。它首先在二氧化硅絕緣體層內形成又窄又深的溝槽。在溝槽底部，也就是絕緣體與硅接觸的地方，一條凹槽切入硅中，使空隙的橫截面呈箭頭形。然后在溝槽內生長一層薄薄的III-V族晶體，應變引起的失配缺陷被有效地捕獲在溝槽側壁，防止這些缺陷線穿透得更遠。填充溝槽后，繼續生長以在溝槽上方形成更大的III-V族材料納米脊。該納米級脊中的材料完全沒有缺陷，因此可用于激光設備。大多數關于單片集成的研究都是在改進單個設備和確定其故障原因的層面上進行的。但Imec已經在展示與該技術的完整晶圓級集成方面取得了實質性進展，在300毫米硅試產線上生產了高質量的基于GaAs的光電二極管。下一個里程碑將是基于與光電二極管類似設計的電泵浦激光器的演示。Nanoridg工程仍在實驗室中進行開發，但如果成功，無疑將對這個行業產生巨大影響。Nanoridge engineering在硅中特殊形狀的溝槽中生長適用于激光的半導體。溝槽的形狀將缺陷 [插圖] 置于激光器構造區域的下方
在接下來的幾年里，這里討論的每一種方法都肯定會取得進一步進展。我們預計它們最終將共存以滿足不同的應用程序需求和用例。相對適中的安裝成本和倒裝芯片激光器組件的準備就緒將使近期產品成為可能，并且對于每個光子IC只需要一個或幾個激光器的應用特別有吸引力，例如數據中心使用的光收發器。此外，這種方法固有的靈活性使其對需要非標準激光波長或不常見的光子技術的應用具有吸引力。對于每個光子IC需要多個激光器或放大器的大批量應用，轉移印刷和芯片到晶圓鍵合提供更高的制造吞吐量、更小的耦合損耗，并有可能進一步降低成本。因為這里的設置成本要高得多，所以適合這些技術的應用程序必須有很大的市場。最后，硅上的直接III-V族外延，例如NRE技術，代表了激光集成的最高水平。但我們和其他研究人員必須在材料質量和晶圓級集成方面取得進一步進展，才能釋放其潛力。
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